先進刀具技術(shù)現(xiàn)狀分析及發(fā)展趨勢
刀具材料、幾何參數(shù)及其結(jié)構(gòu)是高性能刀具設(shè)計制造最重要的關(guān)鍵技術(shù)。目前，先進刀具發(fā)展迅速，各種專用高性能刀具不斷推陳出新。在刀具材料方面，超細晶粒 硬質(zhì)合金刀具和超硬材料刀具獲得了廣泛運用；在涂層方面，多層梯度復(fù)合涂層和高強度耐熱納米涂層也得到了長足的發(fā)展，并在航空航天、汽車船舶等領(lǐng)域得到應(yīng) 用；在刀具結(jié)構(gòu)方面，將朝可轉(zhuǎn)位、多功能、專用復(fù)合刀具和模塊式方向發(fā)展。
刀具材料的最新進展
近年來，世界各工業(yè)發(fā)達國家都在致力于開發(fā)與高速、高效、高質(zhì)切削加工相匹配的先進切削刀具材料[2]。刀具材料對刀具壽命、加工效率、加工質(zhì)量和加工 成本等影響很大。刀具切削時要承受高壓、高溫、摩擦、沖擊和振動等作用，因此刀具材料必須具備如下一些基本性能：硬度高，即刀具材料的硬度必須高于被加工 材料；高的強度和韌性，刀具切削部分的材料在切削時要受到很大的切削力和沖擊力，因此刀具材料必須要有足夠的強度和韌性；耐磨性和耐熱性好，一般來說，刀 具材料硬度越高，耐磨性也就越好，同時刀具的耐磨性和耐熱性有著密切的關(guān)系；導(dǎo)熱性好，導(dǎo)熱性越好，就能降低切削部分的溫度，從而減輕刀具磨損；工藝性和 經(jīng)濟性好。
(1)新型高速鋼。
高速鋼(HSS)是加入了W、Mo、Cr、V等合金元素的高合金工具鋼。 雖然目前可供使用的刀具材料品種較多，但由于高速鋼在強度、韌性、熱硬性、工藝性，特別是鋒利性(刀尖半徑可達12~15μm)等方面具有優(yōu)良的綜合性 能，因此在切削某些難加工材料以及在復(fù)雜刀具(尤其是切齒刀具、拉刀和立銑刀等)制造中仍占有較大比重。
(2)新型細晶粒和超細晶粒硬質(zhì)合金。
硬質(zhì)合金是高硬度、難熔的金屬化合物(主要是WC，TiC等，又稱為高溫碳化物)微米級的粉末，用鈷或鎳等金屬做粘結(jié)劑燒結(jié)成的粉末冶金制品。硬質(zhì)合金 是當(dāng)前切削領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的切削刀具材料，切削效率大約為高速鋼的5~10倍。全世界硬質(zhì)合金的產(chǎn)量增長極快，新材料、新牌號的硬質(zhì)合金刀具不斷出現(xiàn)， 在全部刀具中的比重越來越大。但其工藝性差，用于復(fù)雜刀具尚受到很大的限制。
細晶粒(1～0.5μm)和超細晶粒(小于 0.5μm)硬質(zhì)合金材料及整體硬質(zhì)合金刀具的開發(fā)，使硬質(zhì)合金的抗彎強度大大提高，可替代高速鋼用于制造小規(guī)模鉆頭、立銑刀、絲錐等量大面廣的通用刀 具，其切削速度和刀具壽命遠超過高速鋼。整體硬質(zhì)合金刀具的使用可使原來采用高速鋼的大部分應(yīng)用領(lǐng)域的切削效率顯著提高。為提高硬質(zhì)合金的韌性，通常采取 增加Co含量的方法，由此引起的硬度降低現(xiàn)在可通過細化晶粒得到補償，并可使硬質(zhì)合金的抗彎強度提高到4.3GPa，已達到并超過普通高速鋼的抗彎強度。 細晶粒硬質(zhì)合金的另一優(yōu)點是刀具刃口鋒利，尤其適合高速切削粘而韌的材料。
(3)超硬刀具。
所謂超硬刀 具材料是指人造金剛石和立方氮化硼，以及用這些粉末與結(jié)合劑燒結(jié)而成的聚金剛石和聚晶立方氮化硼。由于超硬刀具具有比硬質(zhì)合金更優(yōu)良的耐磨性，能夠適應(yīng)更 高的切削速度，已成為高速切削的主要刀具材料，更為重要的是能夠滿足難加工材料的切削需要。因此超硬刀具材料已經(jīng)在整個切削加工領(lǐng)域中起到越來越重要的作 用。
金剛石是碳的同素異形體，分為天然金剛石和人造金剛石(PCD)兩種。PCD是在高溫、高壓和催化劑作用下，由石墨轉(zhuǎn)化而成 的。金剛石刀具具有極高的硬度和耐磨性，擁有鋒利的切削刃和良好的導(dǎo)熱性能，同時PCD刀具與有色金屬和非金屬材料間的親和力很小，在加工過程中不易在刀 尖上產(chǎn)生積屑瘤。目前，PCD刀具主要運用在以下兩個方面[2,5]：a.難加工有色金屬及其合金，如用PCD刀具加工硅鋁合金時，刀具壽命可達硬質(zhì)合金 的50~200倍；b.難加工非金屬材料，PCD刀具非常適合于石材、硬質(zhì)碳、碳纖維增強塑料和人造板材等難加工非金屬材料的加工[6]。因此，可以說金 剛石刀具是精密加工有色金屬及其合金、陶瓷、玻璃、木材等非金屬材料最佳的刀具。
但是金剛石的熱穩(wěn)定性較低，切削溫度超過700~800℃時，就會完全失去其硬度。另外，金剛石中的碳和鐵具有很強的親和力，在高溫高壓下，鐵原子與碳原子發(fā)生相互作用，導(dǎo)致金剛石石墨化，從而使刀具極容易發(fā)生磨損。因此，金剛石刀具一般不用來加工鋼鐵等材料。
繼美國GE公司于1957年首次合成立方氮化硼之后，在高溫高壓條件下將立方氮化硼聚合在硬質(zhì)合金上，得到了復(fù)合結(jié)構(gòu)的立方氮化硼(CBN)刀片。 CBN刀具有聚晶燒結(jié)塊和復(fù)合刀片兩種，能在較高切削速度下加工淬硬鋼及鑄鐵，以車代磨，并可高速切削部分高溫合金，加工精度高，表面粗糙度相當(dāng)?shù)停?/FONT> 立方氮化硼還適宜加工各種淬硬鋼、Ni基、Fe基及其他一些耐磨、耐蝕的熱噴涂(焊)件材料，釩鈦鑄鐵、冷硬鑄鐵等耐磨類鑄鐵，鈦合金材料等。
(4)陶瓷材料。
陶瓷刀具具有很高的硬度、耐磨性能及良好的高溫力學(xué)性能，與金屬的親和力小，不易與金屬產(chǎn)生粘結(jié)，并且化學(xué)穩(wěn)定性好。因此，陶瓷刀具可以加工傳統(tǒng)刀具難 以加工或根本不能加工的超硬材料。陶瓷刀具有Al2O3基和Si3N4基兩大類，加入各種碳化物、氮化物、硼化物和氧化物等可改善其性能，還可通過顆粒、 晶須、相變、微裂紋和幾種增韌機理的協(xié)同作用提高其斷裂韌性。
目前，國產(chǎn)的一些晶須增韌陶瓷、梯度功能陶瓷等產(chǎn)品已達到國外同類 刀片的性能，有的還優(yōu)于國外。陶瓷刀具使用的主要原料氧化鋁、氧化硅等在地殼中含量豐富，對節(jié)省貴重金屬也具有重要的意義。陶瓷刀具主要應(yīng)用于難加工材料 的高速加工。國際上已經(jīng)將陶瓷材料刀具視為進一步提高生產(chǎn)率的最有希望的刀具之一。
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